Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP7639153B2 - Fuel cell system with bypass flow rate adjustment - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP7639153B2 - Fuel cell system with bypass flow rate adjustment - Google Patents

Fuel cell system with bypass flow rate adjustment Download PDF

Info

Publication number
JP7639153B2
JP7639153B2 JP2023547156A JP2023547156A JP7639153B2 JP 7639153 B2 JP7639153 B2 JP 7639153B2 JP 2023547156 A JP2023547156 A JP 2023547156A JP 2023547156 A JP2023547156 A JP 2023547156A JP 7639153 B2 JP7639153 B2 JP 7639153B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
exhaust gas
fuel cell
bypass flow
flow rate
flow path
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2023547156A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2024505665A (en
Inventor
ヨンソク オ
アルム イ
ジヨン イ
キョンジュ キム
Original Assignee
コーロン インダストリーズ インク
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by コーロン インダストリーズ インク filed Critical コーロン インダストリーズ インク
Publication of JP2024505665A publication Critical patent/JP2024505665A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7639153B2 publication Critical patent/JP7639153B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D63/00Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/02Hollow fibre modules
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126Humidifying
    • H01M8/04141Humidifying by water containing exhaust gases
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126Humidifying
    • H01M8/04149Humidifying by diffusion, e.g. making use of membranes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432Temperature; Ambient temperature
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/0435Temperature; Ambient temperature of cathode exhausts
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746Pressure; Flow
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746Pressure; Flow
    • H01M8/04761Pressure; Flow of fuel cell exhausts
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746Pressure; Flow
    • H01M8/04776Pressure; Flow at auxiliary devices, e.g. reformer, compressor, burner
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2311/00Details relating to membrane separation process operations and control
    • B01D2311/25Recirculation, recycling or bypass, e.g. recirculation of concentrate into the feed
    • B01D2311/253Bypassing of feed
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2313/00Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/08Flow guidance means within the module or the apparatus
    • B01D2313/083Bypass routes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2313/00Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/44Cartridge types
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2315/00Details relating to the membrane module operation
    • B01D2315/22Membrane contactor
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095Fuel cells with polymeric electrolytes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Temperature-Responsive Valves (AREA)

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、より具体的には、燃料電池スタックから排出される排ガスの温度によってバイパス流量を自動に調整できるバイパス流量調整が可能な燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more specifically, to a fuel cell system capable of adjusting the bypass flow rate automatically according to the temperature of the exhaust gas discharged from the fuel cell stack.

燃料電池とは、水素と酸素を結合させて電気を生産する発電型電池である。燃料電池は、乾電池や蓄電池など、一般化学電池とは異なり、水素と酸素が供給される限り、電気を生産し続けることができ、熱損失がないので、内燃機関より効率が2倍くらい高いという長所がある。
また、水素と酸素の結合により発生する化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換するので、公害物質排出が少ない。したがって、燃料電池は、環境親和的であり、かつ、エネルギー消費増加による資源枯渇に対する心配を減らすことができるという長所がある。
このような燃料電池は、使用される電解質の種類によって、大別して、高分子電解質型燃料電池(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell:PEMFC)、リン酸型燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell:PAFC)、溶融炭酸塩型燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell:MCFC)、固体酸化物型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)、及びアルカリ型燃料電池(Alkaline Fuel Cell:AFC)などに分類することができる。
これらのそれぞれの燃料電池は、元々同じ原理により作動するが、使用される燃料の種類、運転温度、触媒、電解質などが互いに異なる。この中で、高分子電解質型燃料電池(PEMFC)は、他の燃料電池に比べて低温で動作するという点、及び出力密度が大きくて、小型化が可能であるので、小規模据え置き型発電装備だけでなく、輸送システムでも最も有望なものと知られている。
A fuel cell is a type of power generating battery that produces electricity by combining hydrogen and oxygen. Unlike ordinary chemical batteries such as dry batteries and storage batteries, fuel cells can continue to produce electricity as long as hydrogen and oxygen are supplied, and because there is no heat loss, they have the advantage of being about twice as efficient as internal combustion engines.
In addition, because the chemical energy generated by the combination of hydrogen and oxygen is directly converted into electrical energy, fuel cells emit less polluting substances, making them environmentally friendly and reducing concerns about resource depletion due to increased energy consumption.
Such fuel cells can be broadly classified into polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs), phosphoric acid fuel cells (PAFCs), molten carbonate fuel cells (MCFCs), solid oxide fuel cells (SOFCs), alkaline fuel cells (AFCs), and the like, depending on the type of electrolyte used.
Although each of these fuel cells operates on the same principle, they differ in the type of fuel used, operating temperature, catalyst, electrolyte, etc. Among them, polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) are known to be the most promising for use in small-scale stationary power generation equipment as well as transportation systems, because they operate at lower temperatures than other fuel cells, have a high power density, and can be miniaturized.

高分子電解質型燃料電池(PEMFC)の性能を向上させるにあたり、最も重要な要因のうち1つは、膜-電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)の高分子電解質膜(Polymer Electrolyte MembraneまたはProton Exchange Membrane:PEM)に一定量以上の水分を供給することによって含水率を維持させることである。高分子電解質膜が乾燥されれば、発電効率が急激に低下するためである。
高分子電解質膜を加湿する方法では、1)内圧容器に水を満たした後、対象気体を拡散器(diffuser)に通過させて水分を供給するバブラ(bubbler)加湿方式、2)燃料電池反応に必要な供給水分量を計算し、ソレノイドバルブを介してガス流動管に直接水分を供給する直接噴射(direct injection)方式、及び3)高分子分離膜を利用してガスの流動層に水分を供給する加湿膜方式などがある。
これらの中でも、排ガス中に含まれる水蒸気のみを選択的に透過させる膜を利用して、水蒸気を高分子電解質膜に供給される空気に提供することによって高分子電解質膜を加湿する膜加湿方式が加湿器を軽量化及び小型化できるという点で有利である。
膜加湿方式に使用される選択的透過膜は、モジュールを形成する場合、単位体積当り透過面積が大きい中空糸膜が好ましい。すなわち、中空糸膜を利用して加湿器を製造する場合、接触表面積が広い中空糸膜の高集積化が可能であって、小容量でも燃料電池の加湿が十分になされることができ、低価素材の使用が可能であり、燃料電池において高温で排出される排ガス(off-gas)に含まれた水分と熱を回収し、加湿器を介して再使用できるという利点を有する。
One of the most important factors in improving the performance of a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) is to maintain the moisture content by supplying a certain amount of moisture to a polymer electrolyte membrane (or proton exchange membrane (PEM)) of a membrane electrode assembly (MEA). If the polymer electrolyte membrane dries out, the power generation efficiency drops sharply.
Methods for humidifying a polymer electrolyte membrane include: 1) a bubbler humidification method in which an internal pressure vessel is filled with water and then the target gas is passed through a diffuser to supply moisture; 2) a direct injection method in which the amount of moisture required for the fuel cell reaction is calculated and moisture is directly supplied to a gas flow pipe via a solenoid valve; and 3) a humidification membrane method in which moisture is supplied to a gas flow bed using a polymer separation membrane.
Among these, the membrane humidification method, which utilizes a membrane that selectively allows only water vapor contained in exhaust gas to pass through and provides water vapor to the air supplied to the polymer electrolyte membrane to humidify the polymer electrolyte membrane, is advantageous in that it allows the humidifier to be made lighter and smaller.
The selectively permeable membrane used in the membrane humidification method is preferably a hollow fiber membrane with a large permeation area per unit volume when forming a module. That is, when a humidifier is manufactured using a hollow fiber membrane, it is possible to highly integrate hollow fiber membranes with a large contact surface area, and it is possible to sufficiently humidify a fuel cell even with a small capacity, and it is possible to use low-cost materials. It is also possible to recover moisture and heat contained in off-gas discharged at high temperature from a fuel cell and reuse them through a humidifier.

図1は、従来技術に係る燃料電池システムが示された図である。
図1に示されたように、従来技術の燃料電池システムは、ブロワー(Blower、B)と、膜加湿器10と、燃料電池スタックSと、これらを連結する流路P1~P5と、調整弁15とを備える。P1は、ブロワーBと膜加湿器10とを連結する乾燥ガス供給流路であり、P2は、膜加湿器10と燃料電池スタックSとを連結して加湿された乾燥ガスを供給するスタック流路である。P3は、燃料電池スタックSから排出される排ガスを膜加湿器10に供給する排ガス流入流路であり、P4は、膜加湿器10に流入して、水分交換を行った後の排ガスを外部に排出する排ガス排出流路である。P5は、燃料電池スタックSから排出される排ガスの一部を、膜加湿器10を迂回させて排ガス排出流路P4に流動させるバイパス流路である。ここで、「連結」とは、直接的な連結だけでなく、中間に他の部品が介在される間接的な連結を含む。
膜加湿器10は、ブロワーBから供給される乾燥ガスと燃料電池スタックSから排出される湿潤空気(排ガス)との間に水分交換が起こる加湿モジュール11及び加湿モジュール11の両端に結合されたキャップ(12:12a、12b)を備える。
FIG. 1 is a diagram showing a fuel cell system according to the prior art.
As shown in FIG. 1, the conventional fuel cell system includes a blower (B), a membrane humidifier 10, a fuel cell stack S, flow paths P1 to P5 connecting them, and an adjustment valve 15. P1 is a dry gas supply flow path connecting the blower B and the membrane humidifier 10, and P2 is a stack flow path connecting the membrane humidifier 10 and the fuel cell stack S to supply humidified dry gas. P3 is an exhaust gas inflow flow path that supplies exhaust gas discharged from the fuel cell stack S to the membrane humidifier 10, and P4 is an exhaust gas exhaust flow path that flows into the membrane humidifier 10 and discharges the exhaust gas after moisture exchange to the outside. P5 is a bypass flow path that causes a part of the exhaust gas discharged from the fuel cell stack S to bypass the membrane humidifier 10 and flow to the exhaust gas exhaust flow path P4. Here, "connection" includes not only direct connection but also indirect connection in which another component is interposed between them.
The membrane humidifier 10 comprises a humidification module 11 in which moisture exchange occurs between dry gas supplied from a blower B and moist air (exhaust gas) discharged from a fuel cell stack S, and caps (12: 12a, 12b) connected to both ends of the humidification module 11.

キャップ12のうち1つ12aには、乾燥ガス流入口13が形成されて、ブロワーBから供給される乾燥ガスを加湿モジュール11に供給し、他の1つ12bには、乾燥ガス排出口14が形成されて、加湿モジュール11により加湿された空気を燃料電池スタックSに供給する。
加湿モジュール11は、排ガス流入口(off-gas inlet)11aaと排ガス排出口(off-gas outlet)11abとを有するミッド-ケース(mid-case)11a及びミッド-ケース11a内の複数の中空糸膜11bを備える。中空糸膜11bの束の両末端は、ポッティング部11cに固定される。ポッティング部11cは、一般的にキャスティング(casting)方式によって液状ポリウレタン樹脂のような液状ポリマーを硬化させることにより形成される。
ブロワーBから供給される乾燥ガスは、中空糸膜11bの中空に沿って流れる。排ガス流入口11aaを介してミッド-ケース11a内に流入した排ガスは、中空糸膜11bの外表面と接触した後、排ガス排出口11abを介してミッド-ケース11aから排出される。排ガスが中空糸膜11bの外表面と接触するとき、排ガス内に含有されていた水分が中空糸膜11bを透過することにより、中空糸膜11bの中空に沿って流れていた乾燥ガスを加湿する。
キャップ12の内部空間は、中空糸膜11bの中空と流体連通するだけであり、ミッド-ケース11aの内部空間とは完全に遮断されていなければならない。それとも、圧力差による空気漏れが発生して燃料電池スタックに供給される加湿空気の量が減り、燃料電池の発電効率が低下する。
One of the caps 12, 12a, is formed with a dry gas inlet 13, which supplies dry gas supplied from the blower B to the humidification module 11, and the other, 12b, is formed with a dry gas outlet 14, which supplies air humidified by the humidification module 11 to the fuel cell stack S.
The humidification module 11 includes a mid-case 11a having an off-gas inlet 11aa and an off-gas outlet 11ab, and a plurality of hollow fiber membranes 11b in the mid-case 11a. Both ends of the bundle of hollow fiber membranes 11b are fixed to a potting portion 11c. The potting portion 11c is generally formed by hardening a liquid polymer such as liquid polyurethane resin by a casting method.
Dry gas supplied from blower B flows along the hollow of hollow fiber membrane 11b. The exhaust gas that flows into mid-case 11a through exhaust gas inlet 11aa comes into contact with the outer surface of hollow fiber membrane 11b, and is then discharged from mid-case 11a through exhaust gas outlet 11ab. When the exhaust gas comes into contact with the outer surface of hollow fiber membrane 11b, moisture contained in the exhaust gas permeates hollow fiber membrane 11b, thereby humidifying the dry gas that has been flowing along the hollow of hollow fiber membrane 11b.
The internal space of the cap 12 must only be in fluid communication with the hollow of the hollow fiber membrane 11b and must be completely isolated from the internal space of the mid-case 11a, otherwise air leakage due to pressure difference will occur, reducing the amount of humidified air supplied to the fuel cell stack and decreasing the power generation efficiency of the fuel cell.

一方、システムの出力値制御、外部排気ガスの汚染度調整などの必要に応じて、燃料電池スタックSから排出されて膜加湿器10に供給される排ガスの一部は、バイパス流路P5を介して膜加湿器10を迂回し、排ガス排出流路P4と合流して外部に排出される。
このとき、バイパス流路P5を介して迂回するバイパス流量は、バイパス流路P5上に設けられた調整弁15により調整される。調整弁15は、制御機(図示せず)の制御によって開閉程度が決定され得る。このような調整弁15は、回動開閉されるバルブプレートと、ユーザの操作または制御機の信号に応じてバルブプレートの開閉角度を調整する調整口などを備えなければならないので、部品数が多くなり、費用が上昇し、燃料電池システムが複雑になるという短所がある。
On the other hand, if necessary to control the system output value or adjust the level of pollution of the external exhaust gas, a portion of the exhaust gas discharged from the fuel cell stack S and supplied to the membrane humidifier 10 bypasses the membrane humidifier 10 via the bypass flow path P5, merges with the exhaust gas exhaust flow path P4, and is discharged to the outside.
At this time, the bypass flow rate detouring through the bypass flow passage P5 is adjusted by an adjustment valve 15 provided on the bypass flow passage P5. The opening and closing degree of the adjustment valve 15 can be determined under the control of a controller (not shown). The adjustment valve 15 must include a valve plate that is pivotally opened and closed, and an adjustment port that adjusts the opening and closing angle of the valve plate according to a user's operation or a signal from a controller, which results in a large number of parts, which increases costs and complicates the fuel cell system.

本発明は、燃料電池スタックから排出される排ガスの温度によってバイパス流量を自動に調整できるバイパス流量調整が可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a fuel cell system capable of adjusting the bypass flow rate automatically based on the temperature of the exhaust gas discharged from the fuel cell stack.

本発明の実施形態に係るバイパス流量調整が可能な燃料電池システムは、
燃料電池スタックから排出される排ガスの少なくとも一部を膜加湿器に供給する排ガス流入流路と、前記膜加湿器に流入して、水分交換を行った後の排ガスを外部に排出する排ガス排出流路と、前記燃料電池スタックから排出される排ガスの少なくとも一部を前記膜加湿器を迂回させて前記排ガス排出流路に流動させるバイパス流路と、前記バイパス流路に形成され、前記燃料電池スタックから排出される排ガスの温度によって前記バイパス流路の開度を調整するバイパス流量調整部とを備える。
本発明の実施形態に係るバイパス流量調整が可能な燃料電池システムにおいて、前記バイパス流量調整部は、第1の温度範囲で収縮し、前記第1の温度範囲より大きい第2の温度範囲で膨脹する熱膨張物質を含むことができる。
本発明の実施形態に係るバイパス流量調整が可能な燃料電池システムにおいて、前記バイパス流量調整部は、前記バイパス流路の内壁にリング状で形成されることができる。
本発明の実施形態に係るバイパス流量調整が可能な燃料電池システムにおいて、前記バイパス流量調整部は、前記バイパス流路の内壁に形成された環状固定溝にリング状で挿入されることができる。
本発明の実施形態に係るバイパス流量調整が可能な燃料電池システムにおいて、前記排ガス流入流路と前記バイパス流路とは、同じ方向に形成されることができる。
A fuel cell system capable of adjusting a bypass flow rate according to an embodiment of the present invention includes:
The fuel cell stack is provided with an exhaust gas inlet flow path that supplies at least a portion of the exhaust gas discharged from the fuel cell stack to a membrane humidifier, an exhaust gas exhaust flow path that flows into the membrane humidifier and discharges the exhaust gas to the outside after moisture exchange, a bypass flow path that causes at least a portion of the exhaust gas discharged from the fuel cell stack to bypass the membrane humidifier and flow into the exhaust gas exhaust flow path, and a bypass flow rate adjustment unit that is formed in the bypass flow path and adjusts the opening degree of the bypass flow path depending on the temperature of the exhaust gas discharged from the fuel cell stack.
In a fuel cell system capable of adjusting a bypass flow rate according to an embodiment of the present invention, the bypass flow rate adjustment unit may include a thermal expansion material that contracts in a first temperature range and expands in a second temperature range greater than the first temperature range.
In the fuel cell system capable of adjusting a bypass flow rate according to an embodiment of the present invention, the bypass flow rate adjustment unit may be formed in a ring shape on an inner wall of the bypass flow passage.
In the fuel cell system capable of adjusting a bypass flow rate according to an embodiment of the present invention, the bypass flow rate adjuster may be inserted in a ring shape into an annular fixing groove formed on an inner wall of the bypass flow passage.
In the fuel cell system capable of adjusting a bypass flow rate according to an embodiment of the present invention, the exhaust gas inflow passage and the bypass passage may be formed in the same direction.

本発明の実施形態に係るバイパス流量調整が可能な燃料電池システムにおいて、前記膜加湿器は、前記排ガス流入流路と連結される排ガス流入口が形成されたミッド-ケースと、前記ミッド-ケースと締め付けられるキャップと、前記ミッド-ケース内に配置され、複数の中空糸膜を収容する加湿モジュールとを備えることができる。
本発明の実施形態に係るバイパス流量調整が可能な燃料電池システムにおいて、前記加湿モジュールは、複数の中空糸膜を収容するインナーケースと、前記インナーケース末端に形成されるポッティング部を備える少なくとも1つ以上のカートリッジとを備えることができる。
その他、本発明の様々な側面による実現例等の具体的な事項は、以下の詳細な説明に含まれている。
In a fuel cell system capable of adjusting a bypass flow rate according to an embodiment of the present invention, the membrane humidifier may include a mid-case having an exhaust gas inlet connected to the exhaust gas inlet flow path, a cap fastened to the mid-case, and a humidification module disposed within the mid-case and housing a plurality of hollow fiber membranes.
In a fuel cell system capable of adjusting a bypass flow rate according to an embodiment of the present invention, the humidification module may include an inner case that houses a plurality of hollow fiber membranes, and at least one cartridge having a potting portion formed at an end of the inner case.
Further details, such as implementations of various aspects of the present invention, are included in the following detailed description.

本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおいて、バイパス流量調整部は、バルブなどの追加的な部品がなくても、燃料電池スタックから排出される排ガスの温度によってバイパス流路の開度を自動に調整できるようになる。したがって、全体的なシステムの部品数が減り、サイズを小型化することができ、製造費用を低減できる。 In a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, the bypass flow rate adjustment unit can automatically adjust the opening of the bypass flow path according to the temperature of the exhaust gas discharged from the fuel cell stack, without the need for additional components such as valves. This reduces the number of components in the overall system, making it possible to miniaturize the system and reduce manufacturing costs.

従来技術に係る燃料電池システムが示された図である。FIG. 1 is a diagram showing a fuel cell system according to the prior art. 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムが示された図である。1 is a diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention; 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのバイパス流量調整部が拡大図示された図である。3 is an enlarged view of a bypass flow rate regulator of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention; FIG. 低出力環境で図3のバイパス流量調整部の動作状態が示された図である。FIG. 4 is a diagram showing the operation state of the bypass flow rate adjustment unit of FIG. 3 in a low output environment. 高出力環境で図3のバイパス流量調整部の動作状態が示された図である。4 is a diagram showing the operation state of the bypass flow rate adjustment unit of FIG. 3 in a high output environment.

本発明は、様々な変換を加えることができ、種々の実施形態を有することができるところ、特定実施形態を例示し、詳細な説明に詳細に説明しようとする。しかし、これは、本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変換、均等物ないし代替物を含むことと理解されなければならない。
本発明において使用した用語は、単に特定の実施形態を説明するために使用されたものであって、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は、文脈上明白に異なるように意味しない限り、複数の表現を含む。本明細書において、「含む」または「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部品、またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであり、1つまたはそれ以上の他の特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部品、またはこれらを組み合わせたものの存在または付加可能性を予め排除しないことと理解されるべきである。以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る燃料電池システムを説明する。
図2は、本発明の一実施形態に係るバイパス流量調整が可能な燃料電池システム(以下、「燃料電池システム」)が示された図である。
図2に示されたように、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムは、ブロワーBと、膜加湿器100と、燃料電池スタックSと、これらを連結する流路P1~P5と、バイパス流量調整部(150、図3参照)とを備えることができる。
P1は、ブロワーBと膜加湿器100とを連結する乾燥ガス供給流路であり、P2は、膜加湿器100と燃料電池スタックSとを連結して加湿された乾燥ガスを供給するスタック流路である。P3は、燃料電池スタックSから排出される排ガスを膜加湿器100に供給する排ガス流入流路であり、P4は、膜加湿器100に流入して、水分交換を行った後の排ガスを外部に排出する排ガス排出流路である。P5は、燃料電池スタックSから排出される排ガスの一部を、膜加湿器100を迂回させて排ガス排出流路P4に流動させるバイパス流路である。ここで、「連結」とは、直接的な連結だけでなく、中間に他の部品が介在される間接的な連結を含む。
The present invention can be modified in various ways and can have various embodiments, and a specific embodiment will be illustrated and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to the specific embodiment, and it should be understood that the present invention includes all modifications, equivalents, and alternatives within the spirit and technical scope of the present invention.
The terms used in the present invention are merely used to describe certain embodiments and are not intended to limit the present invention. A singular expression includes a plural expression unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, the terms "include" or "have" are intended to specify the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, and should be understood not to preclude the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof. Hereinafter, a fuel cell system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 2 is a diagram showing a fuel cell system capable of adjusting a bypass flow rate according to one embodiment of the present invention (hereinafter, simply referred to as the "fuel cell system").
As shown in FIG. 2, a fuel cell system according to an embodiment of the present invention may include a blower B, a membrane humidifier 100, a fuel cell stack S, flow paths P1-P5 connecting the above, and a bypass flow rate adjustment unit (150, see FIG. 3).
P1 is a dry gas supply flow path connecting the blower B and the membrane humidifier 100, and P2 is a stack flow path connecting the membrane humidifier 100 and the fuel cell stack S to supply humidified dry gas. P3 is an exhaust gas inflow flow path that supplies the exhaust gas discharged from the fuel cell stack S to the membrane humidifier 100, and P4 is an exhaust gas exhaust flow path that flows into the membrane humidifier 100 and discharges the exhaust gas after moisture exchange to the outside. P5 is a bypass flow path that causes a part of the exhaust gas discharged from the fuel cell stack S to bypass the membrane humidifier 100 and flow to the exhaust gas exhaust flow path P4. Here, "connection" includes not only direct connection but also indirect connection in which other parts are interposed in between.

ブロワーBは、大気中の空気を収集して膜加湿器100に供給する。燃料電池スタックSの出力サイズによってブロワーBの出力サイズが決定され得る。選択によって、ブロワーBの前端には、微細ほこりを除去するフィルタ(図示せず)が設けられ得るし、ブロワーBと膜加湿器100との間には、膜加湿器100に供給される乾燥ガスを冷却させるクーラ(図示せず)が設けられ得る。
膜加湿器100は、乾燥ガスを加湿して燃料電池スタックSに供給する。膜加湿器100は、ブロワーBから供給される乾燥ガスを燃料電池スタックSから排出される排ガス内の水分で加湿する加湿モジュール110を備える。加湿モジュール110の両末端の各々は、キャップ(120:120a、120b)と結合される。加湿モジュール110とキャップ120とは、分離形成されることができ、一体型で形成されることもできる。
キャップ120のうち1つ120aには、乾燥ガス流入口130が形成されて、ブロワーBから供給される乾燥ガスを加湿モジュール110に供給し、他の1つ120bには、乾燥ガス排出口140が形成されて、加湿モジュール110により加湿された空気を燃料電池スタックSに供給する。
乾燥ガス流入口130は、ブロワーBと膜加湿器10とを連結する乾燥ガス供給流路P1と連結されることができる。乾燥ガス排出口140は、膜加湿器10と燃料電池スタックSとを連結するスタック流路P2と連結されることができる。
加湿モジュール110は、ブロワーBから供給される乾燥ガスと排ガスとの間の水分交換が起こる装置であって、排ガス流入口(off-gas inlet)111aと排ガス排出口(off-gas outlet)111bとを有するミッド-ケース(mid-case)111及びミッド-ケース111内の複数の中空糸膜112を備える。中空糸膜112の束の両末端は、ポッティング部113に固定される。
The blower B collects air from the atmosphere and supplies it to the membrane humidifier 100. The output size of the blower B may be determined according to the output size of the fuel cell stack S. If desired, a filter (not shown) for removing fine dust may be provided at the front end of the blower B, and a cooler (not shown) for cooling the dry gas supplied to the membrane humidifier 100 may be provided between the blower B and the membrane humidifier 100.
The membrane humidifier 100 humidifies the dry gas and supplies it to the fuel cell stack S. The membrane humidifier 100 includes a humidification module 110 that humidifies the dry gas supplied from a blower B with moisture in the exhaust gas discharged from the fuel cell stack S. Both ends of the humidification module 110 are respectively coupled to caps (120: 120a, 120b). The humidification module 110 and the cap 120 may be formed separately or integrally.
One of the caps 120, 120a, is formed with a dry gas inlet 130, which supplies dry gas supplied from the blower B to the humidification module 110, and the other, 120b, is formed with a dry gas outlet 140, which supplies air humidified by the humidification module 110 to the fuel cell stack S.
The dry gas inlet 130 may be connected to a dry gas supply passage P1 that connects the blower B and the membrane humidifier 10. The dry gas outlet 140 may be connected to a stack passage P2 that connects the membrane humidifier 10 and the fuel cell stack S.
The humidification module 110 is a device where moisture exchange occurs between the dry gas supplied from the blower B and the exhaust gas, and includes a mid-case 111 having an off-gas inlet 111a and an off-gas outlet 111b, and a plurality of hollow fiber membranes 112 in the mid-case 111. Both ends of the bundle of hollow fiber membranes 112 are fixed to potting parts 113.

または、加湿モジュール110は、複数の中空糸膜112及びこれらを互いに固定させるポッティング部113を備える少なくとも1つのカートリッジを備えることができ、この場合、中空糸膜112及びポッティング部113は、別のカートリッジ用ケース(インナーケース)内に形成されることができる。この場合、中空糸膜112は、インナーケース内に収容され、ポッティング部113は、インナーケース末端に形成されることができる。加湿モジュール110がカートリッジを備える場合、カートリッジの両側末端とミッド-ケース111との間には、カートリッジ固定のための樹脂層が形成されるか、または機械的な組立を介して気密結合するガスケット組立体をさらに備えることができる。
ミッド-ケース111とキャップ120とは、各々独立的に硬質プラスチックや金属で形成されることができ、円形または多角形の幅方向断面を有することができる。円形は、楕円形を含み、多角形は、丸い角(rounded corner)を有する多角形を含む。例えば、硬質プラスチックは、ポリカーボネート、ポリアミド(PA)、ポリフタルアミド(PPA)、ポリプロピレン(PP)などであることができる。
中空糸膜112は、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、スルホン化ポリスルホン樹脂、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)樹脂、ポリアクリロニトリル(PAN)樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエステルイミド樹脂、または、これらのうち、少なくとも2つ以上の混合物で形成された高分子膜を含むことができ、ポッティング部113は、ディップポッティング、遠心ポッティングなどのキャスティング方式によって液状ポリウレタン樹脂のような液状樹脂を硬化させることにより形成されることができる。
Alternatively, the humidification module 110 may include at least one cartridge including a plurality of hollow fiber membranes 112 and a potting part 113 for fixing the hollow fiber membranes 112 to each other, and in this case, the hollow fiber membranes 112 and the potting part 113 may be formed in a separate cartridge case (inner case). In this case, the hollow fiber membranes 112 may be housed in the inner case, and the potting part 113 may be formed at an end of the inner case. When the humidification module 110 includes a cartridge, a resin layer for fixing the cartridge may be formed between both ends of the cartridge and the mid-case 111, or a gasket assembly for airtight coupling through mechanical assembly may be further included.
The mid-case 111 and the cap 120 may be independently made of hard plastic or metal and may have a circular or polygonal widthwise cross section. A circular shape includes an oval shape, and a polygonal shape includes a polygonal shape with rounded corners. For example, the hard plastic may be polycarbonate, polyamide (PA), polyphthalamide (PPA), polypropylene (PP), etc.
The hollow fiber membrane 112 may include a polymer membrane formed of polysulfone resin, polyethersulfone resin, sulfonated polysulfone resin, polyvinylidene fluoride (PVDF) resin, polyacrylonitrile (PAN) resin, polyimide resin, polyamide-imide resin, polyester-imide resin, or a mixture of at least two of these, and the potting portion 113 may be formed by hardening a liquid resin such as a liquid polyurethane resin by a casting method such as dip potting or centrifugal potting.

ブロワーBから供給される乾燥ガスは、中空糸膜112の中空に沿って流れる。排ガス流入口111aを介してミッド-ケース111内に流入した排ガスは、中空糸膜112の外表面と接触した後、排ガス排出口111bを介してミッド-ケース111から排出される。排ガスが中空糸膜112の外表面と接触するとき、排ガス内に含有されていた水分が中空糸膜112を透過することによって中空糸膜112の中空に沿って流れていた乾燥ガスを加湿する。
一方、燃料電池スタックSから排出されて膜加湿器10に供給される排ガスの一部は、燃料電池スタックSから排出される排ガスの温度によってバイパス流路P5の開度を調整するバイパス流量調整部150により流量が調整され得る。バイパス流量調整部150は、別の追加的な部品がなくても、排ガスの温度によって自動に開閉程度が調整され得る。したがって、全体的なシステムの部品数が減り、サイズを小型化でき、製造費用を低減できる。このようなバイパス流量調整部150について図3を参照して詳細に説明する。
図3は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのバイパス流量調整部150が示された図であって、図2の「A」部分が拡大図示された図である。
図3に示されたように、バイパス流量調整部150は、バイパス流路P5に形成されて、燃料電池スタックSから排出される排ガスの温度によってバイパス流路P5の開度を調整できる。バイパス流路P5は、排ガス流入流路P3と連結形成されることができる。また、排ガス流入流路P3は、排ガス流入口111aと連結形成されることができる。排ガス流入流路P3と排ガス流入口111aとは、所定の角度、例えば、直角をなして形成されることができる。
バイパス流量調整部150は、バイパス流路P5の内壁に形成されることができる。バイパス流量調整部150は、バイパス流路P5の内壁にリング状で形成されることができる。または、バイパス流路P5の内壁に環状固定溝151が形成され、バイパス流量調整部150は、リング状で形成されて、環状固定溝151に挿入固定されることができる。
The dry gas supplied from blower B flows along the hollow of hollow fiber membrane 112. The exhaust gas that flows into mid-case 111 through exhaust gas inlet 111a comes into contact with the outer surface of hollow fiber membrane 112, and is then discharged from mid-case 111 through exhaust gas outlet 111b. When the exhaust gas comes into contact with the outer surface of hollow fiber membrane 112, moisture contained in the exhaust gas permeates hollow fiber membrane 112, thereby humidifying the dry gas that has been flowing along the hollow of hollow fiber membrane 112.
Meanwhile, a portion of the exhaust gas discharged from the fuel cell stack S and supplied to the membrane humidifier 10 may have its flow rate adjusted by a bypass flow rate adjuster 150 that adjusts the opening degree of the bypass flow passage P5 according to the temperature of the exhaust gas discharged from the fuel cell stack S. The bypass flow rate adjuster 150 may automatically adjust the opening degree according to the temperature of the exhaust gas without requiring any additional parts. This reduces the number of parts in the entire system, making it possible to reduce the size and manufacturing costs. The bypass flow rate adjuster 150 will be described in detail with reference to FIG. 3.
FIG. 3 is a diagram showing a bypass flow rate regulator 150 of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, and is an enlarged view of part "A" of FIG.
3, the bypass flow rate control unit 150 is formed in the bypass flow path P5 and can adjust the opening degree of the bypass flow path P5 according to the temperature of the exhaust gas discharged from the fuel cell stack S. The bypass flow path P5 can be formed to be connected to the exhaust gas inlet flow path P3. In addition, the exhaust gas inlet flow path P3 can be formed to be connected to the exhaust gas inlet 111a. The exhaust gas inlet flow path P3 and the exhaust gas inlet 111a can be formed to form a predetermined angle, for example, a right angle.
The bypass flow rate control unit 150 may be formed on an inner wall of the bypass flow passage P5. The bypass flow rate control unit 150 may be formed in a ring shape on the inner wall of the bypass flow passage P5. Alternatively, an annular fixing groove 151 may be formed on the inner wall of the bypass flow passage P5, and the bypass flow rate control unit 150 may be formed in a ring shape and inserted and fixed into the annular fixing groove 151.

バイパス流量調整部150は、排ガスの温度によって熱膨張する物質からなることができる。バイパス流量調整部150は、第1の温度範囲で収縮し、第1の温度範囲より大きい第2の温度範囲で膨脹する熱膨張物質を含むことができる。すなわち、バイパス流量調整部150は、低温では収縮し、高温では膨脹する熱膨張物質を含むことができる。
排ガス流入流路P3とバイパス流路P5とは、同じ方向に形成されることが好ましい。排ガス流入流路P3とバイパス流路P5とが同じ方向に形成される場合、バイパス流量調整部150が排ガスの流れ方向と対面するようになるので、温度による収縮/膨脹が効果的に行われ得る。
排ガス流入流路P3を介して流動する排ガスは、排ガス流入口111aとバイパス流路P5とに分配される。このとき、バイパス流路P5に流れる排ガスの大小によって、排ガス流入口111aを介して膜加湿器100に供給される排ガスの大小が決定される。また、バイパス流路P5に流動する排ガスの流量は、バイパス流量調整部150により決定される。これについて、図4及び図5を参照して説明する。
図4は、低出力環境でバイパス流量調整部150の動作状態が示された図である。燃料電池スタックSの出力がおおよそ40kW未満である場合、低出力環境といえる。低出力環境では、燃料電池スタックSから相対的に低温の排ガスが供給される。ここで、低温は、略50℃未満の第1の温度範囲であることができる。
The bypass flow rate control unit 150 may be made of a material that thermally expands depending on the temperature of the exhaust gas. The bypass flow rate control unit 150 may include a thermal expansion material that contracts in a first temperature range and expands in a second temperature range that is larger than the first temperature range. That is, the bypass flow rate control unit 150 may include a thermal expansion material that contracts at low temperatures and expands at high temperatures.
The exhaust gas inlet flow passage P3 and the bypass flow passage P5 are preferably formed in the same direction. When the exhaust gas inlet flow passage P3 and the bypass flow passage P5 are formed in the same direction, the bypass flow rate control unit 150 faces the flow direction of the exhaust gas, so that contraction/expansion due to temperature can be effectively performed.
The exhaust gas flowing through the exhaust gas inlet flow passage P3 is distributed to the exhaust gas inlet 111a and the bypass flow passage P5. At this time, the size of the exhaust gas supplied to the membrane humidifier 100 through the exhaust gas inlet 111a is determined by the size of the exhaust gas flowing through the bypass flow passage P5. In addition, the flow rate of the exhaust gas flowing through the bypass flow passage P5 is determined by the bypass flow rate adjustment unit 150. This will be described with reference to Figs. 4 and 5.
4 is a diagram showing the operation state of the bypass flow rate adjustment unit 150 in a low output environment. When the output of the fuel cell stack S is less than about 40 kW, it can be said to be a low output environment. In the low output environment, a relatively low temperature exhaust gas is supplied from the fuel cell stack S. Here, the low temperature may be a first temperature range of less than about 50°C.

排ガスが低温であるので、バイパス流量調整部150は、相対的に収縮して、バイパス流路P5の開度直径がL1になる。したがって、バイパス流路P5には、高出力環境に比べて相対的に多い排ガスが流れるようになり、膜加湿器100には、相対的に少ない量の低温排ガスが供給される。
図5は、高出力環境でバイパス流量調整部150の動作状態が示された図である。燃料電池スタックSの出力がおおよそ40kW以上である場合、高出力環境といえる。高出力環境では、燃料電池スタックSから相対的に高温の排ガスが供給される。ここで、高温は、略50~150℃範囲であって、第1の温度範囲より大きい第2の温度範囲であることができる。
排ガスが高温であるので、バイパス流量調整部150は、膨脹してバイパス流路P5の開度直径がL1より小さいL2になる。したがって、バイパス流路P5には、低出力環境に比べて相対的に少ない排ガスが流れるようになり、膜加湿器100には、相対的に多い量の高温排ガスが供給される。
上記のような本発明の一実施形態に係る燃料電池システムにおいて、バイパス流量調整部150は、バルブなどの追加的な部品がなくても、燃料電池スタックSから排出される排ガスの温度によってバイパス流路P5の開度を自動に調整できるようになる。したがって、全体的なシステムの部品数が減り、サイズを小型化することができ、製造費用を低減できる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された本発明の思想から逸脱しない範囲内で、構成要素の付加、変更、削除、または追加などによって本発明を様々に修正及び変更させ得るであろうし、これも本発明の権利範囲内に含まれるといえるであろう。
Since the exhaust gas is low temperature, the bypass flow rate regulator 150 relatively contracts, and the opening diameter of the bypass flow path P5 becomes L1. Therefore, a relatively large amount of exhaust gas flows through the bypass flow path P5 compared to the high-output environment, and a relatively small amount of low-temperature exhaust gas is supplied to the membrane humidifier 100.
5 is a diagram showing the operation state of the bypass flow rate adjustment unit 150 in a high-power environment. When the output of the fuel cell stack S is approximately 40 kW or more, it can be said to be a high-power environment. In the high-power environment, a relatively high-temperature exhaust gas is supplied from the fuel cell stack S. Here, the high temperature may be a second temperature range of approximately 50 to 150° C., which is greater than the first temperature range.
Since the exhaust gas is hot, the bypass flow rate regulator 150 expands and the opening diameter of the bypass flow path P5 becomes L2, which is smaller than L1. Therefore, a relatively small amount of exhaust gas flows through the bypass flow path P5 compared to a low output environment, and a relatively large amount of high-temperature exhaust gas is supplied to the membrane humidifier 100.
In the fuel cell system according to an embodiment of the present invention as described above, the bypass flow rate control unit 150 can automatically adjust the opening of the bypass flow path P5 according to the temperature of the exhaust gas discharged from the fuel cell stack S without the need for additional components such as a valve. This reduces the number of components in the entire system, making it possible to reduce the size and manufacturing costs.
Although one embodiment of the present invention has been described above, a person having ordinary knowledge in the art would be able to modify and change the present invention in various ways by adding, changing, deleting, or adding components without departing from the concept of the present invention described in the claims, and this would also be considered to be within the scope of the present invention.

100:燃料電池膜加湿器 110:加湿モジュール
111a:排ガス流入口 111b:排ガス排出口
120:キャップ 150:バイパス流量調整部
B:ブロワー S:燃料電池スタック
P1:乾燥ガス供給流路 P2:スタック流路
P3:排ガス流入流路 P4:排ガス排出流路
P5:バイパス流路
100: Fuel cell membrane humidifier 110: Humidification module 111a: Exhaust gas inlet 111b: Exhaust gas outlet 120: Cap 150: Bypass flow rate adjustment unit B: Blower S: Fuel cell stack P1: Dry gas supply flow path P2: Stack flow path P3: Exhaust gas inlet flow path P4: Exhaust gas outlet flow path P5: Bypass flow path

Claims (4)

燃料電池スタックから排出される排ガスの少なくとも一部を膜加湿器に供給する排ガス流入流路と、
前記膜加湿器に流入して、水分交換を行った後の排ガスを外部に排出する排ガス排出流路と、
前記燃料電池スタックから排出される排ガスの少なくとも一部を、前記膜加湿器を迂回させて前記排ガス排出流路に流動させるバイパス流路と、
前記バイパス流路に形成され、前記燃料電池スタックから排出される排ガスの温度によって前記バイパス流路の開度を調整するバイパス流量調整部と、を備え、
前記バイパス流量調整部は、
第1の温度範囲で収縮し、前記第1の温度範囲より大きい第2の温度範囲で膨脹する熱膨張物質を含み、
前記バイパス流量調整部は、
前記バイパス流路の内壁に形成された環状固定溝にリング状で挿入されている、
バイパス流量調整が可能な燃料電池システム。
an exhaust gas inlet flow passage that supplies at least a portion of the exhaust gas discharged from the fuel cell stack to the membrane humidifier;
an exhaust gas exhaust flow path that discharges the exhaust gas after the exhaust gas flows into the membrane humidifier and is subjected to moisture exchange to the outside;
a bypass flow path that causes at least a portion of the exhaust gas discharged from the fuel cell stack to flow into the exhaust gas discharge flow path, bypassing the membrane humidifier;
a bypass flow rate adjusting unit that is formed in the bypass flow path and adjusts an opening degree of the bypass flow path depending on a temperature of exhaust gas discharged from the fuel cell stack,
The bypass flow rate adjustment unit is
a thermally expansive material that contracts in a first temperature range and expands in a second temperature range greater than the first temperature range;
The bypass flow rate adjustment unit is
The bypass passage is inserted in a ring shape into an annular fixing groove formed in an inner wall of the bypass passage.
A fuel cell system with adjustable bypass flow rate.
前記排ガス流入流路と前記バイパス流路とは、同じ方向に形成される請求項1に記載のバイパス流量調整が可能な燃料電池システム。 The fuel cell system capable of adjusting the bypass flow rate according to claim 1, wherein the exhaust gas inflow passage and the bypass passage are formed in the same direction. 前記膜加湿器は、
前記排ガス流入流路と連結される排ガス流入口が形成されたミッド-ケースと、前記ミッド-ケースと締め付けられるキャップと、前記ミッド-ケース内に配置され、複数の中空糸膜を収容する加湿モジュールとを備える請求項1~のいずれか1項に記載のバイパス流量調整が可能な燃料電池システム。
The membrane humidifier comprises:
The fuel cell system capable of adjusting a bypass flow rate according to any one of claims 1 to 2, comprising: a mid-case having an exhaust gas inlet formed therein and connected to the exhaust gas inlet flow path; a cap fastened to the mid -case; and a humidification module disposed within the mid-case and housing a plurality of hollow fiber membranes.
前記加湿モジュールは、
複数の中空糸膜を収容するインナーケースと、前記インナーケース末端に形成されるポッティング部を備える少なくとも1つ以上のカートリッジとを備える請求項3に記載のバイパス流量調整が可能な燃料電池システム。
The humidification module includes:
4. The fuel cell system capable of adjusting a bypass flow rate according to claim 3, comprising an inner case housing a plurality of hollow fiber membranes, and at least one cartridge having a potting portion formed at an end of the inner case.
JP2023547156A 2021-03-09 2022-03-07 Fuel cell system with bypass flow rate adjustment Active JP7639153B2 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210030626A KR102760002B1 (en) 2021-03-09 2021-03-09 Fuel cell system with adjustable bypass air flow
KR10-2021-0030626 2021-03-09
PCT/KR2022/003223 WO2022191557A1 (en) 2021-03-09 2022-03-07 Fuel cell system capable of adjusting bypass flow rate

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2024505665A JP2024505665A (en) 2024-02-07
JP7639153B2 true JP7639153B2 (en) 2025-03-04

Family

ID=83227967

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2023547156A Active JP7639153B2 (en) 2021-03-09 2022-03-07 Fuel cell system with bypass flow rate adjustment

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20240120516A1 (en)
EP (1) EP4273978B1 (en)
JP (1) JP7639153B2 (en)
KR (1) KR102760002B1 (en)
CN (1) CN117083740A (en)
CA (1) CA3208200A1 (en)
WO (1) WO2022191557A1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007212018A (en) 2006-02-08 2007-08-23 Toyota Motor Corp Humidifier and fuel cell system
KR101697998B1 (en) 2011-12-29 2017-01-23 코오롱인더스트리 주식회사 Membrane humidifier
WO2020213990A1 (en) 2019-04-17 2020-10-22 코오롱인더스트리 주식회사 Fuel cell humidifier and packing member for same

Family Cites Families (33)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5930284Y2 (en) * 1980-03-15 1984-08-29 松下電工株式会社 flow control tube
JPS59110971A (en) * 1982-12-14 1984-06-27 Shimadzu Corp Valve device
JPS6246879U (en) * 1985-09-10 1987-03-23
US6656620B2 (en) * 2000-01-31 2003-12-02 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Humidification system for a fuel cell
JP4643128B2 (en) * 2003-03-11 2011-03-02 ルノー エス.ア.エス.ソシエテ パ アクション サンプリフェ Fuel cell system
JP4675605B2 (en) * 2004-10-19 2011-04-27 本田技研工業株式会社 Fuel cell oxidant supply device
JP2008027674A (en) * 2006-07-19 2008-02-07 Nissan Motor Co Ltd Humidifier for fuel cell
DE102007003144A1 (en) * 2007-01-22 2008-07-24 Daimler Ag Device for the treatment of reaction gases in fuel cells
JP2008303128A (en) * 2007-06-11 2008-12-18 Panasonic Corp Fuel reformer
KR101278398B1 (en) 2007-08-01 2013-06-24 코오롱인더스트리 주식회사 Hollow Fiber Membrane and Method for Manufacturing The Same
KR101398779B1 (en) 2007-12-03 2014-05-28 코오롱인더스트리 주식회사 Fuel Cell Humidifier with Improved Cold Resistance
KR20090128005A (en) 2008-06-10 2009-12-15 주식회사 코오롱 Humidification system for fuel cell and fuel cell system using same
DE102008050846A1 (en) * 2008-10-08 2010-04-15 Daimler Ag Fuel cell device with at least one fuel cell and method for operating a fuel cell device
KR20100074835A (en) * 2008-12-24 2010-07-02 주식회사 효성 Apparatus and method for humidification control of fuel cell stack
JP2010192292A (en) * 2009-02-19 2010-09-02 Honda Motor Co Ltd Fuel cell system and method for operating the same
KR20100108092A (en) 2009-03-27 2010-10-06 주식회사 코오롱 Humidifier for fuel cell
KR101375447B1 (en) * 2009-06-08 2014-03-17 코오롱인더스트리 주식회사 Humidifier for Fuel Cell
KR20110001022A (en) 2009-06-29 2011-01-06 코오롱인더스트리 주식회사 Polymer electrolyte membrane for fuel cell and manufacturing method thereof
KR101577828B1 (en) 2009-07-13 2015-12-28 코오롱인더스트리 주식회사 Filling System used for preparation of Polymer Electrolyte Membrane and Method of manufacturing Polymer Electrolyte Membrane using the same
KR20110006122A (en) 2009-07-13 2011-01-20 코오롱인더스트리 주식회사 Polymer electrolyte membrane for fuel cell and manufacturing method thereof
KR20110021217A (en) 2009-08-25 2011-03-04 코오롱인더스트리 주식회사 Polymer electrolyte membrane for fuel cell and manufacturing method thereof
KR20110026696A (en) 2009-09-08 2011-03-16 코오롱인더스트리 주식회사 Humidifier for fuel cell and its manufacturing method
EP2507860B1 (en) 2009-12-04 2017-10-18 Kolon Industries, Inc. Humidifier for fuel cell
JP5389090B2 (en) * 2011-03-31 2014-01-15 本田技研工業株式会社 Fuel cell system
KR101339250B1 (en) * 2012-06-11 2013-12-09 현대자동차 주식회사 Heat exchanger for vehicle
KR101459455B1 (en) 2012-12-12 2014-11-07 현대자동차 주식회사 Humidifying apparatus and method of fuel cell
KR101610175B1 (en) * 2014-11-21 2016-04-07 현대자동차 주식회사 Oil cooler for vehicle
KR101655619B1 (en) 2014-12-17 2016-09-07 현대자동차주식회사 Membrane humidifier for fuel cell and Air flow system using the same
KR101703603B1 (en) * 2015-06-15 2017-02-07 현대자동차 주식회사 Can-type heat exchanger
KR102335380B1 (en) * 2017-04-26 2021-12-08 현대자동차주식회사 Fuel Cell System and Humidifier Therefor
WO2019168841A1 (en) * 2018-02-28 2019-09-06 Bl Technologies, Inc. Sanitary sprial wound membrane element with bypass control ring
KR102633862B1 (en) * 2018-08-08 2024-02-05 현대자동차 주식회사 Humidification device for fuel cell
KR102805455B1 (en) * 2019-08-14 2025-05-15 현대자동차주식회사 Humidifier for fuel cell

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007212018A (en) 2006-02-08 2007-08-23 Toyota Motor Corp Humidifier and fuel cell system
KR101697998B1 (en) 2011-12-29 2017-01-23 코오롱인더스트리 주식회사 Membrane humidifier
WO2020213990A1 (en) 2019-04-17 2020-10-22 코오롱인더스트리 주식회사 Fuel cell humidifier and packing member for same

Also Published As

Publication number Publication date
EP4273978A4 (en) 2024-12-18
KR102760002B1 (en) 2025-01-24
KR20220126414A (en) 2022-09-16
US20240120516A1 (en) 2024-04-11
EP4273978A1 (en) 2023-11-08
JP2024505665A (en) 2024-02-07
EP4273978B1 (en) 2025-11-19
CA3208200A1 (en) 2022-09-15
CN117083740A (en) 2023-11-17
WO2022191557A1 (en) 2022-09-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7519546B2 (en) Fuel Cell Membrane Humidifier
JP7676589B2 (en) Fuel Cell Membrane Humidifier
JP2023545489A (en) Fuel cell humidifier cartridge and fuel cell humidifier
JP7639153B2 (en) Fuel cell system with bypass flow rate adjustment
KR102873633B1 (en) Fuel cell membrane humidifier and fuel cell system comprising it
JP7614371B2 (en) Automatic flow rate control cartridge and fuel cell membrane humidifier including same
JP7698047B2 (en) Fuel cell system with bypass flow rate adjustment
KR102926185B1 (en) Fuel cell membrane humidifier and fuel cell system comprising it
KR102735803B1 (en) Cartridge of Humidifier for Fuel Cell and Humidifier for Fuel Cell
KR102744858B1 (en) Fuel cell membrane humidifier and fuel cell system comprising it
KR102844832B1 (en) Cartridge for membrane humidifier and fuel cell humidifier comprising it
KR102755445B1 (en) Fuel cell membrane humidifier and fuel cell system comprising it
JP7693807B2 (en) Fuel cell membrane humidifier and fuel cell system including same
KR102870598B1 (en) Fuel cell membrane humidifier with adjustable dry air flow
KR102755447B1 (en) Fuel cell membrane humidifier and fuel cell system comprising it
KR102926187B1 (en) Fuel cell membrane humidifier
JP7676566B2 (en) fuel cell membrane humidifier
US20230378492A1 (en) Fuel cell membrane humidifier and fuel cell system comprising same
CN116601808A (en) Fuel cell membrane humidifier and fuel cell system including same
KR20220117603A (en) Fuel cell membrane humidifier with adjustable off-gas flow

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20230802

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20240918

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20240925

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20241223

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20250203

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20250219

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7639153

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150